陇县地震台电磁扰动数据变化规律及影响因素分析

李远林

(陕西省宝鸡市地震局,陕西 宝鸡 721004)

0 引言

地震电磁扰动,又称电磁波、电磁辐射,是指在地震孕育过程中产生的地磁辐射源释放出电磁信号的现象[1]。我国研究地震电磁扰动并用来预报地震是在1976年唐山地震后逐渐发展起来的,内容涉及震磁效应理论研究、震例研究、电磁辐射特征等方面,诸多研究结果表明,地震电磁辐射与岩石破裂及地震孕育有内在的联系[2-6],电磁异常与台站周边的中强地震有相关性[7-16],电磁扰动成为预测预报地震的重要手段之一,在短临跟踪实践中形成可借鉴的经验[17-20]。

在电磁扰动的观测中,出现了许多与地震孕育发生过程无关的干扰因素,给识别地震前兆异常信息带来困难[21]。因此,摸清电磁扰动在非震时段的变化规律和可能的影响因素,有助于在提取前兆异常信息时准确排除干扰因素,提高震前异常分析结论的可信度[22]。

本文选取陇县地震台(以下简称陇县台)2019至2021年的电磁扰动观测数据,数据连续率和完整率均在95%以上。期间,该台周围未发生中强地震,台站配有气温、降水等辅助观测手段,为摸清电磁扰动的变化规律及影响因素提供数据基础。

1 台站观测环境及仪器概述

陇县台位于宝鸡市陇县县城西北方向11 km处的陇县温水镇柴家洼村,台站周围人员稀少,环境噪声小,附近无工业等其他强振动源。台站位于陇县-宝鸡断裂带的固关-虢镇断裂附近,该断裂带是鄂尔多斯西南边缘弧形断裂带的最南段。

陇县台电磁扰动观测开始于2014年6月,观测场地位于台站院内,采用郑州晶微电子科技公司研发和生产的GS-2000-DC电磁扰动仪,主要由磁扰动传感器、电磁扰动监测仪、数据采集仪、无线CDMA数据传输模块和前兆仪器专用充电机等设备构成,电磁扰动探头置于30 m的观测井中。磁扰动传感器根据“磁感应”原理设计,采用低频敏感磁芯,在磁芯上绕制一定数量的线圈,震时线圈切割磁力线,接收感应电磁信号。磁传感器安装在一个压力容器内,达到防潮和降低热噪音的作用,同时装置外配有静电屏蔽层,增强抗干扰能力。仪器采用井下安装方式,在一定程度上克服地面人为干扰和气象干扰带来的影响。仪器安装示意图如图1所示。

图1 GS-2000-DC电磁扰动仪安装结构图Fig.1 Structure of GS-2000-DC electromagnetic disturbance instrument

电磁扰动仪的工作原理为:电磁波接收装置将接收到的电磁波信号转换为电信号后,传入隔离放大电路,信号被放大并隔离干扰后分别输入三个电路,经滤波将三个不同频段的信号传入数据采集仪。为方便观测,仪器输出端的原始信号经过放大处理(放大系数为2)。三个通道的频段分别为0.1～1 Hz、1～10 Hz、10～20 Hz,每个通道的数据采样间隔为1 min。

2 日常变化规律

2.1 年变规律及影响因素分析

图2为陇县台2019-2021年电磁扰动日均值曲线,第一、二通道具有明显的年变形态,表现为冬高夏低,其中第二通道夏季突跳干扰较多,第三通道年变形态不明显。地球物理观测值年变形态易受其他因素的影响,主要有气温、气压、降雨量等自然因素。对于电磁波观测,从仪器的设计原理和观测环境上看,气压与电磁扰动测值基本不相关[22]。将电磁扰动值与气温日均值进行对比发现,电磁扰动值第一、二通道与气温的相关系数分别为-0.94和-0.57,呈明显的负相关,温度低时电磁扰动呈现高值,反之呈现低值;第三通道由于干扰较大相关性不强,相关系数为-0.07。

图2 陇县台2019—2021年电磁扰动值和气温日均值Fig.2 Daily average curves of electromagnetic disturbance values and temperature at Long County station from 2019 to 2021

2.2 日变规律及影响因素分析

自观测以来,陇县台电磁扰动日变形态相似,分别选取2019年1月1日和7月1日冬、夏季两种形态的日变分钟值曲线进行分析(见图3)。第一通道在夏季的日变形态明显,为正弦曲线,7∶00-8∶00为高值区,15∶00-17∶00为低值区;冬季时的日变相对平缓。第二、三通道无规律性的日变形态,毛刺干扰在昼夜、季节无明显区别。虽然缺少每日气温的连续变化曲线,但依据一般的气温日变趋势,即一天中最高气温一般出现在午后2～3小时,最低气温出现在日出前后,可以看出电磁扰动第一通道的日变形态与气温也呈负相关变化。

3 动态扰动变化原因探讨

3.1 同震效应

表1列出陇县台电磁扰动仪自观测以来记录到的同震效应,可以看出,电磁波观测对400 km范围内的4.3级以上、600 km范围内的5.0级以上和800 km范围内的6.0级以上地震具有较好的同震效应。图4为2014年甘肃碌曲4.5级、2017年四川九寨沟7.0级、2018年陕西宁强5.3级和2019年四川长宁6.0级地震发生前后几个小时内的观测值,看出同震效应一般在震后3～5分钟后出现,主要表现为二通道或一、二通道同时出现高值脉冲,变化幅度明显超出背景值,可达几倍至几十倍。

表1 陇县台电磁扰动仪自观测以来记录到的同震效应Table 1 Parameters of coseismic effects recorded by electromagnetic disturbance instrument at Long County station

图4 陇县台电磁扰动同震效应Fig.4 Coseismic effect curve of electromagnetic disturbance at Long County station

3.2 非震异常变化及干扰因素分析

3.2.1 雷电

雷电天气会产生雷电电磁脉冲,尤其是低空特强雷电产生的超强电磁脉冲会对安装于地下的电磁扰动探头造成严重的干扰,多集中在夏秋两季[23-24]。在观测数据曲线上表现为三个通道均出现高频脉冲式变化,异常时间和雷电发生时间一致,脉冲最大时可达正常观测值的3～4倍(见图5)。

图5 雷电对电磁扰动的影响Fig.5 Form of observation data affected by lightning interference

3.2.2 强降雨

强降雨会引起陇县台电磁测值产生阶降,剧烈的扰动变化使日变形态消失。如图6所示,2021年9月17日至18日因强降雨(降水量达55.9 mm),1通道测值出现不规律的阶降现象,19日恢复正常。2021年10月3日至5日出现连续降雨,降雨总量达138 mm,电磁扰动测值在降雨期间出现不规律的阶降变化,6日开始恢复正常日变形态。观测井里有水,电磁扰动探头位于水面下,能够避免一般性降雨的干扰影响,但在强降雨时观测值会受到影响。

图6 强降雨对电磁扰动仪1通道的影响Fig.6 Influence of heavy rainfall on the first channel of electromagnetic disturbance

3.2.3 使用大功率电器

有关分析认为,使用大功率电器(如空调等)会导致输电线路的电流负荷变化,根据电磁感应理论,会在输电线路附近产生变化电磁场,从而影响周围的磁场环境,导致记录到的电磁扰动值产生异常变化[25-26]。

为研究使用大功率电器对陇县台电磁扰动的影响,选取6月11日至21日无雨或少雨时期(也无雷电干扰)作为研究时段。期间因气温升高,陇县台开始使用3匹立式空调,时间基本在13∶00-17∶00。

为从日变曲线中分辨出异常形态,根据前面对日变规律的研究,使用Matlab曲线拟合程序中的谐波拟合一通道日变曲线,拟合时段为24小时,并对拟合值和观测值作差,得到去除日变形态的残差曲线。由图7看出,6月11日13时至16时扰动明显增大;13日下午14∶15电磁扰动测值出现阶升,16∶00出现突跳;21日下午15∶00至16∶00电磁扰动值出现较大幅度的异常波动。如图8所示,在使用空调的几天内,第一通道测值扰动变化不明显,二、三通道出现不同程度的扰动变化。6月12日下午14∶20和15∶30,二、三通道均出现异常突跳;16日下午14∶10左右开启空调,三个测道的电磁扰动值随之出现突跳,异常值明显高于一般测值,二、三通道的同步变化更明显。因此认为,使用空调会对陇县台电磁扰动观测值造成影响。

图7 使用空调引起电磁扰动仪1通道的异常变化Fig.7 Abnormal changes in the first channel of electromagnetic disturbance caused by air conditioning usage

图8 使用空调引起电磁扰动仪3个通道的同步异常变化Fig.8 Synchronized abnormal changes in all three channels of electromagnetic disturbance caused by air conditioning usage

4 结论

对陇县台电磁扰动日常变化规律和动态扰动变化因素的分析,得出如下结论:

(1) 陇县台电磁扰动第一、二通道年变形态明显,表现为冬高夏低,与气温呈明显的负相关;第三通道年变不明显。第一通道日变规律夏季较冬季明显,为正弦曲线形态,与气温呈负相关;二、三通道无明显的日变形态。

(2) 陇县台电磁扰动对发生在台站一定范围内的中强以上地震具有明显的同震效应。

(3) 陇县电磁扰动观测值会受到雷电、强降雨、使用大功率电器等干扰因素的影响。雷电会使测值出现高值脉冲变化;受强降水影响时,测值出现阶降,偏离正常日变形态;受大功率电器的使用影响,测值会出现较大幅度的扰动变化。

综上所述,本文分析陇县台电磁扰动数据的变化规律及原因,并对造成数据异常变化的影响因素进行总结,为台站人员能够迅速排除干扰因素、及时识别前兆异常提供依据,对电磁扰动仪日常运行维护具有一定的指导意义。